SLM制造超强TiC与Ti复合材料过程中的原位转变

供稿人：张晓宇 李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

金属基复合材料（MMCs）的目的是理想地将金属基质的韧性、延展性和导电性能与陶瓷（或许多情况下的金属间化合物）的刚性和耐磨性结合起来。绝大多数情况下，由于基体与金属化合物界面结合较弱、化合物形态不完善、界面出现裂纹、残余应力、位错和由组成相之间的热失配引起的加工硬化等无法获得这种理想的组合。SLM是一种基于粉末的增材制造（AM）方法。在这种方法中，复杂的三维零件是通过激光扫描（从而熔化和凝固）所需的几何形状，逐层叠加而形成的。SLM所提供的自由形状的制造是一种在原位制造MMCs的绝佳机会。这使得复杂几何形状的MMCs零件可以使用设计良好、非常精细和均匀分散的金属化合物，可以缓解这类材料的常见问题。

图1. 使用最佳参数的Ti/Mo2C SLM部件的SEM和EBSD图像. （a）EBSD 颗粒结构的图像，在构建方向（垂直和向上）上基本拉长，（b）主要的 (c-e)均匀分布的纳米晶须状碳化物

图2. 本工艺制造的Ti合金与其他SLM加工的Ti合金复合材料的硬度和杨氏模量的比较

鲁汶大学机械工程系Sasan Dadbakhsh等人开发了一种新型原位合金化方法，能够在不含铝和钒的情况下生产出一种超强的新型Ti复合材料。该方法选用SLM技术对Ti/10.5 wt%的Mo2C粉末混合物进行原位合金化和强化处理，从原位活性Ti/10.5 wt%Mo2C粉末混合物中制备出不含潜在细胞毒性元素（如Al和V）的坚固硬质Ti合金复合材料。结果发现，亚稳β-Ti基体通过高纵横比、50-200nm宽和数微米长的TiC晶须均匀增强，这些相的转变由组分的分解、溶解、扩散和重组进行控制。原位生成的TiC颗粒的晶须形态与TiC<110>方向的定向晶体生长有关。新型TiC增强β-钛合金的硬度超过500 HV，杨氏模量为126 GPa，极限抗压强度为1642 MPa。

图3. 分解和扩散机制

该研究发现有助于开发新的人体植入物替代材料。长期以来，Ti6Al4V材料是制造骨科和牙科植入物最常用的钛合金，长期情况下其有害离子的释放对人体会产生危害，本研究借助原位合金化和强化原理将无任何毒性问题的固溶体强化元素如Mo2C与Ti进行结合，有利于提高其在生物医学方面上的应用，解决其远期危害性等问题。

参考文献：
Dadbakhsh, S., Mertens, R., Vanmeensel, K. et al. In situ transformations during SLM of an ultra-strong TiC reinforced Ti composite. Sci Rep 10, 10523 (2020).